Синтетические гены, синтетические клетки, синтетическая жизнь
Природе потребовалось около миллиарда лет, чтобы создать простейшие одноклеточные организмы, которые плавали в первозданном бульоне. Теперь ученые стремятся создать синтетическую жизнь - но лучше и быстрее.
Гамильтон Смит (Нобелевская премия по химии 1978 года с Вернером Арбером и Дэниелом Натансом) начал свою лекцию на 64th th Собрании лауреатов Нобелевской премии в Линдау с цитаты Ричарда Фейнмана (Нобелевская премия Премия по физике 1965 г.):
"То, что я не могу создать, я не понимаю."
Фейнман, вероятно, имел в виду физические модели, тогда как Смит ссылался на живые организмы. В своей лаборатории в Институте Дж. Крейга Вентера он пытается создать синтетические клетки: «Я надеюсь, что если мы это создадим, то поймем».
На сегодняшний день расшифрован весь геном человека. Но как из молекул ДНК развивается живой человек, человек, который может дышать, есть, ходить, учиться, любить, получать Нобелевские премии и присуждать их - пока толком никто не понимает. Даже для одноклеточных организмов это не кристально ясно. Даже у простейших бактерий есть гены, не имеющие явной функции и не являющиеся необходимыми для жизни. В ходе эволюции накопилось много «генетических отходов», которые могли быть полезны в какой-то момент, но оказались бесполезными в результате мутаций. Некоторые генетические фрагменты фактически были внесены в геном вирусами, другие были созданы в результате случайных дупликаций генетических сегментов. Многочисленные молекулярные механизмы приводят к множеству генетических вариаций, что, в первую очередь, делает возможной эволюцию. Но со временем многие из этих генов и сегментов стали бесполезными.
В настоящее время Смит пытается привести в порядок геном Mycoplasma mycoides, микроба, обычно живущего в пищеварительном тракте жвачных животных. Первоначально Смит и его команда хотели использовать геном Mycoplasma genitalium, бактерии с самым маленьким известным геномом - для жизни ей нужно всего 475 генов. По оценкам Смита, около 100 из них не являются необходимыми. Но поскольку M. mycoides имеет значительно более высокую скорость деления клеток, хотя его геном в два раза больше, эксперименты с M. mycoides оказались более эффективными. Во время этого «минимального клеточного проекта» исследователи отключали один ген за другим и изучали воздействие на микробы. (И чем медленнее растут микробы, тем дольше исследователи должны ждать результатов.) Конечная цель Смита - «геном, который очень понятен - мы ищем генетические ядра жизни».
Разбирая гены, Смит использует три категории генов. Гены, которые он анализирует, либо
- необходим для жизни
- не обязательно, но их удаление приводит к замедлению роста клеток
- необязательно
Смит также предполагает, что все гены из последней группы могут быть отключены без негативного воздействия на микробы. Что касается средней категории, то исследователям приходится тщательно взвешивать все варианты. Когда все будет сделано, в результате должна получиться бактерия, которая все еще может быстро размножаться, по крайней мере, в лабораторных условиях, предлагающих обильное питание, постоянную температуру, но без конкурентов. Цель исследователей - сократить на пятьдесят процентов геном счастливо процветающего микроба, который делится как минимум раз в 100 минут.
Во время своей лекции в Линдау Смит назвал генетические отходы «спагетти-кодом». Этот программистский термин используется для описания некоторого беспорядочного программного кода, написанного, например, слишком большим количеством программистов и ставшего полностью хаотичным, хотя он все еще функции. Приведение в порядок такого кода называется «рефакторингом», если функция программы остается прежней. И это именно то, что Смит и его команда делают с генетическим кодом бактерии: ее геном сводится к абсолютным минимальным требованиям жизни, к «основному механизму жизни», как выразился Смит.
Смит любит использовать компьютерные термины для описания своей работы. Он сравнивает геном любого организма с его программным обеспечением, все остальное - аппаратное обеспечение (цитоплазма, белки и ферменты), управляемое этим программным обеспечением. Как только клетка получает новую генетическую программу, она начинает использовать эту программу. Чтобы проверить свои собственные синтетические программы, Смит и его команда заменили ДНК бактерии синтетической ДНК, содержащей их основную программу. На сегодняшний день старое «железо» не приняло новую программу «обновление». На компьютерном языке устранение неполадок и техническое обслуживание называются «отладкой»: Смит и его команда какое-то время будут заняты отладкой.
Но недавние успешные проекты позволяют предположить, что исследователи могут добиться успеха: четыре года назад команда Смита произвела сенсацию, оживив бактерии с полностью синтетическим геномом, разработанным на их компьютерах. В настоящее время существуют автоматизированные синтезирующие машины, которые могут создать любую ДНК из четырех исходных оснований, или, по словам Смита: «просто программа, написанная четырехбуквенным кодом». Но исследователи не изобрели новую бактерию, они скопировали геном M. mycoides с несколькими вариациями, чтобы впоследствии идентифицировать свое творение в живой клетке. геном взял на себя управление клетками и контролировал их, как и планировалось.
Поскольку этот эксперимент прекрасно подтвердил метафору программного обеспечения, он стал важным шагом на пути к созданию синтетической жизни. Эта новая дисциплина называется синтетической биологией, ее цель - создание организмов с новыми биологическими функциями, которых еще нет в природе. До недавнего времени биотехнологи могли вносить лишь небольшие изменения в геномы, например отключать определенные гены или вставлять новые гены, чтобы придать растениям, бактериям или животным новые функции. Часто полученные бактерии производят некоторое количество белка, необходимого для разработки или производства лекарств.
Но все становится сложнее, когда целью является другое вещество, помимо белков. Трансплантация полного метаболического пути в 2006 году вызвала настоящий переполох. Полученные дрожжевые клетки смогли производить артемизиновую кислоту, которую можно превратить в лекарство от малярии. Таким образом, трансплантация всего генома была следующим логическим шагом, хотя новый синтетический организм пока не производит ничего полезного.
Все эти разработки стали возможными только благодаря прошлым открытиям, достойным нескольких Нобелевских премий. Несколько примеров: Артур Корнберг получил Нобелевскую премию 1959 года вместе с Северо Очоа за открытие «механизмов биологического синтеза ДНК», особенно роли полимеразы в удвоении ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили приз 1962 года за знаменитое описание двойной спирали ДНК. А Смит, Арбер и Натанс получили премию 1978 года за открытие ферментов рестрикции типа II, ферментов, способных очень точно разрезать ДНК по определенным последовательностям нуклеотидов. Два года спустя Пол Берг, Уолтер Гилберт и Фредерик Сэнгер получили престижную премию: Гилберт и Сэнгер разработали новый метод секвенирования ДНК. Сегодняшние сотни исследований генома, публикуемые каждый месяц, стали возможными только благодаря этим методам секвенирования, а также последующему падению цен на анализ генома в последние годы. Берг был одним из первых исследователей, объединивших гены разных организмов, и считается одним из отцов-основателей генной инженерии. Он также был одним из первых ее критиков: в 1975 году он стал одним из инициаторов Asilomar, где ученые сформировали добровольные рекомендации, касающиеся безопасности технологии рекомбинации ДНК, что привело к мораторию на исследования определенных областей генов и комбинаций, действовавшему в течение нескольких лет. Наконец, в 1986 году Кэри Маллис был удостоен чести за открытие метода амплификации последовательностей ДНК в лаборатории, что сделало улучшенную ПЦР (полимеразную цепную реакцию) центральным методом молекулярной биологии.
Без этих открытий Смит и его команда не смогли бы достичь своей цели по созданию синтетической жизни. Они не только хотят понять - они также хотят применить свои знания. Предполагается, что новые микроорганизмы, которые они пытаются создать, будут производить все, от лекарств и биотоплива до химикатов. Воображение исследователя не имеет границ, только современные знания. «Мы можем химически сконструировать любую последовательность ДНК, - объясняет Смит, - но мы пока не можем спроектировать на компьютере ген с определенной ферментативной активностью. Мы можем наилучшим образом модифицировать существующие конструкции белков». Природные программы можно копировать и модифицировать, но синтетическая формула жизни еще не найдена и не изобретена. Но программисты учатся, копируя существующие программы, пока не поймут, как они работают. Затем они могут начать проявлять творческий подход.